【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本公开总体上涉及碳纳米材料的生产。具体地，本公开涉及用于使用电解生产各种同素异形体的碳纳米材料的方法和设备。
技术介绍
1、碳纳米管(cnt)在所有材料中具有测得的最高拉伸强度(强度93,900mpa)。多壁cnt由圆柱形石墨烯片的同心壁组成。石墨烯是由单层sp2杂化轨道碳原子形成的二维、蜂窝状结构的材料，具有约0.335nm的厚度，这对应于一个碳原子的厚度。石墨、纳米管和富勒烯(fullerenes)可以由石墨烯通过例如包裹和堆叠形成。
2、包含石墨烯结构的碳纳米材料(cnm)具有许多有用的性能，包括高强度、高电导率、高热导率、耐久性、硬度、柔性、润滑，并且它们也可以用作催化剂，并且可以被化学改性。这些有用的性能意味着cnt的应用稳步增长。例如，结构材料中低浓度(通常<<1％)的cnt可以提高一系列结构材料，诸如水泥、钢、塑料、木材和铝的强度。因为这些材料中的每一种可以具有高碳足迹，所以具有增加的强度或其他有用性能的不需要、需要很少或不太高的碳足迹印刷材料的碳复合材料可以显著地降低碳足迹。利用碳纳米材料的有用性能的其他应用包括：电缆或电线、电动车辆、运动装备、医疗应用、电子设备、电池、超级电容器、传感器、塑料、聚合物、纺织品、储氢和水处理。
3、已知的生产cnt的方法是化学气相沉积(cvd)。然而，cnt的cvd是昂贵的，当前估算是生产的每吨cnt的成本在$100k至$600k之间，cvd具有高碳足迹。
4、除了化学气相沉积(cvd)之外，使用二氧化碳(co2)和碳酸锂电解质的电
技术实现思路
1、本公开的实施方式涉及用于生产碳纳米材料(cnm)产物的方法和设备，该产物包括各种碳同素异形体，诸如：碳纳米管(cnt)、石墨碳、纳米竹、圆锥形碳纳米纤维、纳米珍珠碳、涂覆的cnt、纳米洋葱、空心纳米洋葱、纳米花、纳米龙、分支和主干cnt(纳米树)、纳米带、纳米棒、长和/或直cnt、高长径比cnt、薄cnt和cnt的宏观组装体、纳米海绵和纳米网，该宏观组装体包括致密堆积的直cnt。该方法和设备采用二氧化碳(co2)作为电解反应中的反应物以制备这些不同的碳纳米材料(cnm)。本公开的实施方式提供了本公开的电解方法和设备的宽范围的受控变化，以选择性地提供具有高纯度的一种或多种所需同素异形体的cnm产物。
2、本公开的一些实施方式涉及用于制备cnm产物的方法。该方法包括以下步骤：加热碳酸盐电解质以得到熔融碳酸盐电解质；将熔融碳酸盐电解质定位在电解池中的阳极和阴极之间；向电解池中的阴极和阳极施加电流；以及选择以下操作参数中的一个或多个：阴极的组成或配置、阳极的组成或配置、待添加到电解质的添加剂、老化电解质的步骤、电流密度、电流密度的斜坡变化(增加或降低)的步骤、施加电流使得cnm产物包含较高相对量的所需同素异形体的时间。所需同素异形体的实例包括但不限于：碳纳米管(cnt)、石墨碳、纳米竹、圆锥形碳纳米纤维、纳米珍珠碳、涂覆的cnt、纳米洋葱、空心纳米洋葱、纳米花、纳米龙、分支和主干cnt(纳米树)、纳米带、纳米棒、长和/或直cnt、高长径比cnt、薄cnt、cnt的宏观组装体或其组合。该方法还包括从阴极收集cnm产物的步骤。
3、该方法和设备采用二氧化碳(co2)作为电解反应中的反应物来制备各种碳同素异形体。本公开的实施方式提供了本公开的电解方法和设备的宽范围的受控变化，以选择性地提供具有高纯度的一种或多种这些同素异形体的cnm产物。在不存在足够的co2的情况下，碳酸盐电解质变成碳源并被消耗。co2可以源自外部气体，或者在外部co2暂时不足以支持所需电解反应时，碳源可以源自碳酸盐分解。不受任何理论束缚，碳酸盐分解符合co32-歧化为co2和氧化物，诸如o2。在后一种情况下，当可获得过量的co2时，这种氧化物积聚充当一种储备以除去过量的co2。
4、在本公开的一些实施方式中，可以修改该方法来掺杂cnm产物，包括其中所需的同素异形体。掺杂的同素异形体具有直接结合到掺杂的同素异形体的化学结构中的掺杂组分的原子，由此与非掺杂的同素异形体相比，赋予掺杂的同素异形体新的或增强的物理和/或化学性能。
5、在本公开的一些实施方式中，可以修改方法以便使cnm产物响应于外部磁场，包括其中所需的同素异形体。磁性同素异形体可以通过化学添加和/或碳化物驱动机制将磁性物质的原子结合到其中，使得当磁性同素异形体定位在磁场源中或附近时，磁性同素异形体可以移动以与磁场对齐。
6、不受任何特定理论的束缚，本公开的一些实施方式提供了使用温室co2作为反应物通过熔融碳酸盐电解来合成碳的新同素异形体的新方法。除了常规金刚石、石墨和巴基球(buckyball)，存在大量独特的正在被发现的纳米碳结构。直到最近，co2被认为是非反应性的。在此，示出了co2可以被转化为碳的不同的纳米竹、纳米珍珠、纳米龙、实心和空心的纳米洋葱、纳米树、纳米棒、纳米带和纳米花同素异形体等。通过直接电解生产高纯度的这些同素异形体的能力(类似于氧化铝的铝生产解离，而是通过二氧化碳解离来生产纳米碳)开启了一系列廉价的独特材料，这些材料具有提供新的高强度性能、新电气性能、新热性能、新柔性性能、新电荷储存性能、新润滑剂性能和新稳健性性能的潜力。纳米碳的商业生产技术是化学气相沉积(cvd)，其贵10倍至100倍，通常需要金属有机物反应物，并且具有高度正碳足迹而不是负碳足迹。通过改变阳极和阴极组成和配置、电解质组成、预电解处理(老化)以及电流斜坡变化(current ramping)和电流密度，来电化学制备不同的纳米碳同素异形体。
7、本公开的一些实施方式涉及用于生产cnm产物的第一方法。该方法包括以下步骤：加热电解质介质以得到熔融电解质介质；将熔融电解质介质定位在电解池的高镍含量阳极和阴极之间；将碳源引入电解池中；向电解池中的阴极和阳极施加电流；以及从阴极收集cnm产物。在第一方法的这些实施方式中，cnm产物包含与cnm产物的总重量相比至少70wt％的最小相对量的所需同素异形体，所需同素异形体选自所需长度的碳纳米管(cnt)、卷曲cnt、圆锥形碳纳米纤维、纳米竹、空心纳米洋葱和纳米树的组。
8、本公开的一些实施方式涉及第一方法，其中，阳极由基本上纯的镍制成，其中，阴极包括铜，其中，所需同素异形体是所需长度的cnt，并且其中，所需长度是在约本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种用于生产碳纳米材料(CNM)产物的方法，所述方法包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述阳极是耐腐蚀阳极。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述耐腐蚀阳极包含贵金属。
4.根据权利要求2所述的方法，其中，所述电流具有在约0.05A/cm2与0.15A/cm2之间的电流密度。
5.根据权利要求2所述的方法，其中，所述无铁添加剂是含铬添加剂，所述含铬添加剂以相对于所述电解质介质或所述熔融电解质介质的量在约0.05wt％至约2wt％之间的量添加，并且所述所需同素异形体是具有在约25μm至约125μm之间的长度的薄CNT，并且其中，相对于所述CNM产物的总重量，所述最小相对量大于70％。
6.根据权利要求4所述的方法，其中，所述阴极包含蒙乃尔合金。
7.根据权利要求2所述的方法，其中，所述无铁添加剂是含镍添加剂，所述含镍添加剂以相对于所述电解质介质或所述熔融电解质介质的量在约0.05wt％至约2wt％之间的量添加，并且所述所需同素异形体是所述纳米棒，并且其中，相对于所述CNM产物的总重量，
8.根据权利要求6所述的方法，其中，所述阴极包含蒙乃尔合金。
9.根据权利要求6所述的方法，其中，所述熔融电解质介质是新鲜熔融的。
10.根据权利要求6所述的方法，其中，施加所述电流的步骤进行15至25小时。
11.根据权利要求2所述的方法，其中，所述无铁添加剂是含镍添加剂和含铬添加剂，所述含镍添加剂和所述含铬添加剂各自以相对于所述电解质介质或所述熔融电解质介质的量在约0.05wt％至约2wt％之间的量添加，并且所述所需同素异形体是所述纳米竹，并且其中，相对于所述CNM产物的总重量，所述最小相对量在约50wt％与约80wt％之间。
12.根据权利要求9所述的方法，其中，所述阴极包含蒙次黄铜。
13.根据权利要求1所述的方法，其中，所述无铁添加剂是含锂添加剂，所述含锂添加剂以相对于所述电解质介质或所述熔融电解质介质的量在约1wt％至约10wt％之间的量添加，并且所述所需同素异形体是所述纳米洋葱，并且其中，相对于所述CNM产物的总重量，所述最小相对量在约70wt％与约99wt％之间。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述含锂添加剂是磷酸锂。
15.根据权利要求13所述的方法，其中，所述阳极包含镍铬合金。
16.根据权利要求13所述的方法，其中，所述阴极包含铜。
17.根据权利要求1所述的方法，其中，所述无铁添加剂是含钴添加剂，所述含钴添加剂以相对于所述电解质介质或所述熔融电解质介质的量在约0.01wt％至约5wt％之间的量添加，并且所述所需同素异形体是所述纳米花，并且其中，相对于所述CNM产物的总重量，所述最小相对量在约70wt％与约99wt％之间。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述含钴添加剂是钴粉末，并且老化所述熔融电解质。
19.根据权利要求17所述的方法，其中，所述阳极包含镍铬合金。
20.根据权利要求17所述的方法，其中，所述阴极包含铜。
21.根据权利要求1所述的方法，还包括将磁性添加剂组分引入到所述电解池中的步骤，其中，所述磁性添加剂组分包括磁性材料添加组分、碳化物生长组分或其任意组合，并且其中，所述所需同素异形体是磁性的，并且当在磁场中时进行移动。
22.根据权利要求1所述的方法，还包括将掺杂添加剂组分引入到所述电解池中的步骤，其中，掺杂所述所需同素异形体，并且将所述掺杂添加剂组分的原子直接结合到所述掺杂的所需同素异形体中，以向所述掺杂的所需同素异形体赋予不同于未掺杂的所需同素异形体的所需的物理和/或化学性能。
23.一种包含纳米棒的碳纳米材料，其中，所述纳米棒具有粗矮的环形形状。
24.根据权利要求14所述的碳纳米材料，其中，所述纳米棒包含碳和氧两者。
25.根据权利要求15所述的碳纳米材料，其中，所述纳米棒内的氧的量是在约5wt％与12wt％之间。
26.根据权利要求14所述的碳纳米材料，其中，所述纳米棒具有通过拉曼光谱测量的约0.6至约0.9之间的ID/IG比。
27.一种包含纳米花的碳纳米材料，其中，所述纳米花包含源自单个原点的多个截头圆锥形碳纳米管(CNT)，其中，每个截头圆锥形CNT的直径随着所述CNT延伸远离所述原点而减小，其中，所述纳米花具有通过拉曼光谱测量的约0.6至约0.9之间的ID/IG比。
28.所需纳米碳同素异形体在...
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】
1.一种用于生产碳纳米材料(cnm)产物的方法，所述方法包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述阳极是耐腐蚀阳极。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述耐腐蚀阳极包含贵金属。
4.根据权利要求2所述的方法，其中，所述电流具有在约0.05a/cm2与0.15a/cm2之间的电流密度。
5.根据权利要求2所述的方法，其中，所述无铁添加剂是含铬添加剂，所述含铬添加剂以相对于所述电解质介质或所述熔融电解质介质的量在约0.05wt％至约2wt％之间的量添加，并且所述所需同素异形体是具有在约25μm至约125μm之间的长度的薄cnt，并且其中，相对于所述cnm产物的总重量，所述最小相对量大于70％。
6.根据权利要求4所述的方法，其中，所述阴极包含蒙乃尔合金。
7.根据权利要求2所述的方法，其中，所述无铁添加剂是含镍添加剂，所述含镍添加剂以相对于所述电解质介质或所述熔融电解质介质的量在约0.05wt％至约2wt％之间的量添加，并且所述所需同素异形体是所述纳米棒，并且其中，相对于所述cnm产物的总重量，所述最小相对量大于70％。
8.根据权利要求6所述的方法，其中，所述阴极包含蒙乃尔合金。
9.根据权利要求6所述的方法，其中，所述熔融电解质介质是新鲜熔融的。
10.根据权利要求6所述的方法，其中，施加所述电流的步骤进行15至25小时。
11.根据权利要求2所述的方法，其中，所述无铁添加剂是含镍添加剂和含铬添加剂，所述含镍添加剂和所述含铬添加剂各自以相对于所述电解质介质或所述熔融电解质介质的量在约0.05wt％至约2wt％之间的量添加，并且所述所需同素异形体是所述纳米竹，并且其中，相对于所述cnm产物的总重量，所述最小相对量在约50wt％与约80wt％之间。
12.根据权利要求9所述的方法，其中，所述阴极包含蒙次黄铜。
13.根据权利要求1所述的方法，其中，所述无铁添加剂是含锂添加剂，所述含锂添加剂以相对于所述电解质介质或所述熔融电解质介质的量在约1wt％至约10wt％之间的量添加，并且所述所需同素异形体是所述纳米洋葱，并且其中，相对于所述cnm产物的总重量，所述最小相对量在约70wt％与约99wt％之间。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述含锂添加剂是磷酸锂。
15.根据权利要求13所述的方法，其中，所述阳极包含镍铬合金。
16.根据权利要求13所述的方法，其中，所述阴极包含铜。
17.根...
【专利技术属性】
技术研发人员：斯图尔特·利克特，加德·利克特，
申请(专利权)人：C二CNT有限责任公司，
类型：发明
国别省市：
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